数字化设计与建造技术在景观中的应用研究*

The Application of Digital Design and Fabrication Technology in Landscape Architecture

金云峰 杨玉鹏

JIN Yunfeng, YANG Yupeng



数字化设计与建造技术在景观中的应用研究*

The Application of Digital Design and Fabrication Technology in Landscape Architecture

金云峰 杨玉鹏

JIN Yunfeng, YANG Yupeng

摘 要在信息技术迅猛发展的背景下，设计领域中数字化及建造技术的应用从仅关注数字概念设计发展到更加关注“从虚拟设计到实体建造”的完整过程。结合同济大学数字建造技术的相关研究成果，探究了形态自生成技术、人机交互技术、环境性能分析技术、数控加工技术（CNC）以及传统材料多维表达技术等数字化设计与建造技术在景观实践中的应用。

关键词风景园林；数字景观；数字设计；数字建造；技术方法

金云峰, 杨玉鹏. 数字化设计与建造技术在景观中的应用研究[J]. 西部人居环境学刊, 2016, 31(01): 95-100.

* 高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室自主与开放课题（2015KY06）；同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司重点项目研发基金

Abstract:With the rapid development of information technology, application of digital and fabrication technology in design develops from only focusing on the digital concept design to paying more attention to the "integrity of the process from virtual design to building entity". Based on the result of Tongji University digital fabrication technology research, this study explores the application of digital design and fabrication technology such as Autogenic Forms technology, Human-computer Interaction technology, Analysis of Environmental Performance technology, Computer Numerical Control Technology (CNC) and Traditional Materials Multi-dimensionality Expression technology in the practice of Landscape Architecture.

Keywords:Landscape Architecture; Digital Landscape Architecture; Digital Design; Digital Fabrication; Technical Method

1 从数字设计到数字建造

受到20世纪60年代以来的相对论、语言学、混沌理论、新几何学、系统论、涌现理论影响，数字技术在设计中的应用由早期的计算机辅助建筑图纸绘制逐渐向计算机辅助设计（Computer Aided Design）转变。有关景观的数字技术研究开始兴起，研究初期主要关注宏观景观系统的数字化分析与模拟，研究角度侧重于规划设计过程的前期分析[1-3]；随着GIS（Geographic Information System，地理信息系统）、参数化设计，运算生成设计，BIM （Building Information Model，建筑信息模型）等数字技术的发展[4]，越来越多的学者开始关注数字化设计技术在景观中的应用[5-7]，但研究多停留在概念设计阶段，较少涉及数字化设计的实现手段。

近年来，随着信息技术的发展，数字技术已经能够实现一切实体性、物质性的现象与代码（Code）之间进行编码、压缩、传输、转换的可能[8]。设计领域的数字化技术也开始从仅关注数字概念设计到更加关注“从计算机辅助虚拟设计到计算机辅助实体建造CAM（Computer Aided Manufacturing）”的完整过程[9]。借助三维打印机、数控机器人等辅助建造设备，设计师可以在短时间之内完成更为复杂精准的空间建造，其真实的空间尺度以及快速的建造过程使得设计的推敲变得更为方便与直观，从而大大提高设计的效率与质量。因此，文章①以同济大学数字设计与建造的相关研究成果为基础②，通过探究不同数字设计与建造技术在景观中的应用，为数字化技术与景观设计实践的有效结合提供有益思考。

2 同济数字设计与建造技术

“数字模拟设计”是同济大学建筑与城市规划学院学科重点发展方向之一，自2012年起，学院基于自身数字化平台进行一系列数字化设计与建造研究。通过建设数字设计研究中心，引进与开发彩色三维打印机、激光粉末烧结系统、五轴CNC数控机床、激光切割机以及高精度Kuka机械臂组成的机器人等先进的数控加工设备[2]，为数字化设计与建造研究创造了良好的硬件条件。同时，在与国内外学校合作教学过程中，学院开展了数字设计与建造的研习班与工作营等学术活动。在教学与研究过程中注重对学生真实建造过程中逻辑性思维以及数字化建构意识的培养，强调将数字化技术应用于从环境分析到虚拟信息转译进而到数控机器构建的整个实践过程。

有关景观的数字设计与建造中，依据“综合运用，有效实践”的教学思想[10]，将仿生学、互动性数字设计、适应性环境科学、机械设计与制造以及材料学等跨专业的学科知识创造性地融入到数字化设计与建造过程中，初步形成了基于形态自生成技术、人机交互技术、环境性能分析技术、数控加工技术（CNC）以及传统材料多维表达技术的数字化设计与建造方法。

2.1 基于形态自生成技术的数字建造

仿生学属于生物科学与技术科学之间的边缘学科。一些关于植物和动物在几百万年进化过程中形成的应对外界复杂条件的“自我组织”、“自我生长”功能，实际上是超越了人类自身在此方面的技术设计方案。而基于形态自生成技术的数字化建构，正是通过分析生物过程和结构规律，以此为设计原型通过数字技术进行模拟与建构[11]。

“天棚与景观”空间装置作为“数字花园”这一教学实验模型的一部分，在上海当代艺术馆中构建与展出。其通过对自然界中蜘蛛网以及其他膜结构的构成逻辑进行研究，进而探索在极小曲面逻辑中重新分配肥皂泡和蜘蛛网所表现出的效能来进行景观建造的可能性[12]（图1）。在确定织物材料与白色塑料材料的前提下，通过数字化建模与构建营造出其顶部天棚结构以及底部石笋景观（图2）。

图1　“天棚与景观”构件分析与逻辑推演过程Fig.1 “ceiling and landscape” component analysis and logical deduction process

图2　“天棚与景观”建成实景Fig.2 “ceiling and landscape”

图3　蚕丝单元构建Fig.3 silk unit construction

“蚕丝混凝土”亭则通过对蚕茧微观空间结构构成规律以及宏观表皮生成特点的模仿，使用液态加热的塑料材料在Kuka机械臂的协助下，自主构建蚕丝单元（图3），最终构建了一个以人体为尺度蚕茧拱形结构（图4）。

图4　“蚕丝混凝土”建成实景Fig.4 real built of “silk concrete”

2.2 基于人机交互技术的数字建造

数字化技术的发展正在突破传统的静态景观设计与建造的限制，通过对景观环境的分析以及使用者行为的研究，可以实现人与景观空间的互动。基于人机交互技术的数字建造，首先确定互动系统的主体控制器（初级控制器以Arduino硬件平台为主），进而选定传感器（Sensors）和效应器（Effectors），通过传感器将外界物理条件按照一定的规律转换成电信号以便控制器控制输出，进而实现互动功能。

“机械花园”受到“涌现理论”的启发，对简单的个体金属花朵进行设计，通过个体的组合营造整体花园的变化形态，最终产生可以与观赏者互动的模拟自然界花开花落的景象（图5）。在花朵个体的结构设计中，“机械花园”采用被动柔性结构依附于主动机械的结构的构件组合方式，通过主动机械机构的形态变化压弯被动结构构件，进而带动柔性金属花瓣的形态变化，实现花朵的开合。“数字花园”为了实现花园与参观者的互动，设计以Arduino控制器作为花园装置的“大脑”，数字编采用了开源代码的编写方式，这样设计的工具包在保证花园能够与体验者互动的同时，也能够根据环境变化产生新的响应方式，从而适应观赏者的多种行为方式，实现“数字花园”的自我学习与互动[13]。

图5　“机械花园”与观赏者互动实景Fig.5 “mechanical garden” and the viewer interaction

“力之动态”的空间构筑则探索了使用者行为与构筑物本身力学结构的变化关系之间进行互动的可能性。装置运动的基础是每一个构件单元旁边设置的感应器，通过对互动行为的数字编程，感应器接收到互动行为发生的信号时会产生不同的电流变化，进而加热连接构件的金属弹簧，金属弹簧遇热产生长度变化进而实现装置整体形变。在每根杆件内部装入LED灯具，当形变发生时电脑控制中心的Arduino控制器便能感知到每根杆件的压力数据，从而控制构建单元LED的亮度变化，进而实现整体装置形态与亮度的互动变化[13]（图6）。

图6　“力之动态”与研究者互动实景Fig.6 “dynamic of force” interaction with the researchers

2.3 基于环境性能分析技术的数字建造

人体所能感受到的最直接的外部景观性能指标来源于周边环境的各项影响因子。基于环境性能分析技术进行的数字建造中将环境因素作为数字设计参数，将环境因素转化成计算机语言，同时综合考虑各种因素的影响程度，进而建立数字化景观形体与环境因素之间的逻辑关系，从而形成以回应周边环境为设计目的的数字化建造。

“数字花朵”是对环境性能的空间景观建构探索。通过数学运算与几何生成在多维空间的迭代中将数学的美融入到了花朵的形态中[3]。通过分析环境周边遮阳、通风等环境因素，设计将其作为影响因子进行数字化设计的转译，利用计算机建立数字花朵的空间美学特征与环境影响因子之间的内在逻辑关系（图7）。通过对数字花朵的数字建模与实际建造，最终将数字美学、性能化形式、多维度空间、抽象的自然等多种理念呈现出来（图8）。

图7　“数字花朵”生成推演Fig.7 “digital flowers” generate deduction

图8　“数字花朵”建成实景Fig.8 real built of “digital flowers”

“复合生态屋”则是通过室外生态建筑的营建，探讨环境因素影响下通过数字化方法进行环境性能设计的可行性[14]。其西立面的表皮设计就是一个用环境性能驱动的算法生成设计的典型应用。使用环境性能分析的软件对西立面的风压进行分析，得到各个位置的风压数据表，在表皮的细分之后对于每个节点的风压进行参数化的转译，最后优化得到三种模制的菱形单元景观构件（图9-10）。

图9　“复合生态屋”构件单元变化Fig.9 changes of “compound ecological house” component unit

图10　“复合生态屋”西立面Fig.10 “compound ecological house” west facade

2.4 基于数控加工技术（CNC）的数字建造

数控加工技术（Computer Numerical Control, CNC）最早在机械设计与制造领域出现并广泛应用，其核心工作原理为赋予传统加工机床一个大脑，使机床变得越来越“聪明”[15]，而数控加工技术与数字化设计相结合则能够为参数化建构过程中“建造”阶段提供平台。基于数控加工技术的数字化建构在设计之初就以数控加工的思路作为切入点，通过断面（Sectioning）、嵌片（Tessellating）、折叠（Folding）、等高成形（Contouring）、发泡（Forming）等多种方法，在相应数控设备上实现建造成型。

“集群建造”是一个使用机器人协同技术弯折金属管并组装成的3m高的室外景观展亭（图11）。320根铝管通过集群算法生成不同的空间结构，使用两台KUKA机器人和RoboTeam创建每根铝管的非重复结构单元（图12）。机器人通过KuKaPRC在Rhino/ grasshopper环境下进行编程，参数标识系统准确的确定每根铝管在设计整体中的位置，这种智能化协同建造保证了整个复杂结构能在短时间内实现。

图11　“集群建造”建成实景Fig.11 real built of the “cluster building”

图12　“集群建造”铝管单元机器人加工Fig.12 “cluster building” aluminum tube processing unit

“数字弯折”则是一组采用数控加工技术建造的曲面景观坐具。设计以空间弧线为原型，通过空间向量的调整形成三维圆弧，三维圆弧按照一定的规则形成空间单元，进而对空间进行拓扑组合，以满足不同的城市环境空间需求，从而探讨在特定环境中人与景观环境的关系。在数字建造中，空间单元采用Bi-Arc的方法在数控弯管机上弯折钢管生成空间曲线（图13），通过相对简洁的对空间自由曲线的模拟，各节点衔接进行自然平滑过度，形成一定的几何美感（图14）。同时，相比随意的自由曲线，圆弧曲线的生产制造更加方便，可以适应工业化社会的批量生产。

图13　“数字弯折”圆弧单元弯折流程Fig.13 “digital bending” unit circular arc bending process

图14　“数字弯折”建成实景Fig.14 real built of the “digital bending”

通过数字设计的创新，数字化建造技术已经在材料科技上迅速提升了传统材料进行异形建构的可能性。“机器人木构曲廊”探讨了数字化预制技术以及机械臂辅助构筑物精确空间建造的方法。设计以木材作为建构材料，通过数字化的预制以及机械臂的精准组装来探索复杂的几何木结构形式（图15-16）。

图15　“机器人木构曲廊”建构流程示意Fig.15 “robot wooden curved corridors” construction process

图16　“机器人木构曲廊”建成实景Fig.16 real built of the “robot wooden curved corridors”

2.5 基于传统材料多维表达技术的数字建造

材料的物理属性是三维的，而通过叠加、堆垒等方法可以使平常被看作是平面的板材达到结构上的稳定，形成一种全新的多维材料。基于传统材料多维表达技术的数字建造就是将“砖”、“木”、“竹”等传统材料换成“预制材料系统”，并将“功能”与“性能”融入其中，通过设计一个数字工具包系统来预测材料的表现和组织方式，从而形成一种新的建构设计方法。

“竹编景墙”是以竹片作材料构建的空间多维构筑物，通过研究传统技艺中的编织手法，进行数字编程与演绎，获得一个个变化的预制材料单体，最终通过材料单体的组合形成一个完整的竹制构筑物（图17）。而“机器人陶土打印”则通过对声学性能的模拟进行数字化几何生形，利用陶土自身易于塑造的材料特性，进而应用机器人陶土打印的技术模拟传统陶罐工艺，最终打印建构出近4m高的具有连续变化空腔的声学立柱（图18）。

图17　“竹编景墙”建成实景Fig.17 real built of the “bamboo weaving scene wall”

图18　“机器人陶土打印”建造过程Fig.18 “robot clay print” building process

3 结 语

在信息化迅猛发展的今天，数字化技术在设计领域的应用早已超出了数字化工具辅助绘图的初级阶段。随着参数化设计、数字分析与生成技术、BIM技术在设计中的普及，数字化技术中蕴含的复杂性化、关联化的设计思路与思维逻辑已经开始深入人心。而随着先进的数控建造设备的研发以及跨学科技术知识的应用，这种数字化的思维方式必将推动设计思路由仅关注数字设计向同时关注数字设计与建造的完整建构过程发展。

景观的数字设计与建造，通过对环境信息的分析与解读，将形态自生成技术、人机交互技术、环境性能分析技术、数控加工（CNC）以及传统材料多维表达技术等应用到整个建构过程中，从而形成回应周边环境的全新景观形式。数字建造技术在设计领域中的应用尚处于探索阶段。本文所阐释的景观中数字设计与建造方法是在对同济大学已有的数字化建造实践认识基础上提出的，构建对象大多集中于环境小品与构筑物，对于整体景观环境的数字化设计与建造技术方法有待进一步探究。

注释：

① 本文曾在中国第二届数字景观国际论坛做交流。

② 本文案例主要选自“同济大学高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室”和“同济大学国家级建筑规划景观实验教学中心”。

参考文献：

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[12] 袁烽, 尼尔·里奇. 上海MoCA生活演习展“数字花园”系列作品[J]. 城市建筑, 2012(10): 77-82.

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[14] 袁烽, 肖彤. 性能化建构——基于数字设计研究中心(DDRC)的研究与实践[J]. 建筑学报, 2014(08): 14-19.

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图片来源：

图1-2、5-7、8：袁烽，尼尔·里奇. 上海MoCA生活演习展“数字花园”系列作品[J]. 城市建筑, 2012(10): 77-82.

图3-4、11、1-17：作者拍摄

图6：同济大学建筑与城市规划学院网站. [2013-08-14]. http://news.tongji-caup.org/ news.php?id=3112.

图9-10：袁烽, 肖彤. 性能化建构——基于数字设计研究中心(DDRC)的研究与实践[J]. 建筑学报, 2014(08): 14-19.

图12-14、18：同济大学建筑与城规学院[EB/ OL]. [2015-07-13]. http://mp.weixin.qq.com/ s?__biz=MzA5MTM2NzYzOA==&mid=2 07128485&idx=2&sn=725728d82c80b95e 954806ad06f9fe84&scene=1&from=single message&isappinstalled=0#rd.

（编辑：申钰文）

收稿日期：2015-08-05

作者简介金云峰： 同济大学建筑与城市规划学院，教授，博士生导师，jinyf79@163.com杨玉鹏： 同济大学建筑与城市规划学院，硕士研究生

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20160116

文 章 编 号2095-6304(2016)01-0095-06

文献标识码B

中图分类号TU986